汽車線性穩(wěn)壓器最大限度地降低靜態(tài)電流

近年來(lái)，許多汽車機(jī)械功能已被電子電路取代或修改。一個(gè)結(jié)果是每輛車的微控制器數(shù)量迅速增加，導(dǎo)致汽車電池消耗的總電流也類似增加。只要汽車電機(jī)運(yùn)行并且交流發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，這種功耗就不是問(wèn)題。

然而，當(dāng)您關(guān)閉電機(jī)時(shí)，汽車電池必須立即提供各種子系統(tǒng)所需的所有電流：擋風(fēng)玻璃雨刮片電機(jī)、車窗升降器、收音機(jī)/CD 播放器/立體聲音響，以及現(xiàn)在大多數(shù)汽車中的任何“舒適電子系統(tǒng)”。即使所有乘客都離開(kāi)了汽車，許多系統(tǒng)也會(huì)消耗一個(gè)?；铍娏鳎员阍谙麓涡枰?wù)時(shí)準(zhǔn)備好喚醒。為了盡可能保持這些靜態(tài)電流，需要具有低靜態(tài)電流的線性穩(wěn)壓器以及線性和開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器的組合。本文討論了最小化靜態(tài)電流的問(wèn)題，并介紹了一些解決方案。

交流發(fā)電機(jī)提供充足的電力

典型的汽車交流發(fā)電機(jī)可以提供約3000W的功率。假設(shè)輸出為14V，則允許電流消耗超過(guò)200A。即使空調(diào)完全打開(kāi)，汽車收音機(jī)在迪斯科舞廳水平播放，交流發(fā)電機(jī)的容量也可以提供車內(nèi)任何電氣負(fù)載組合。沒(méi)有人需要擔(dān)心靜態(tài)電流。但是，當(dāng)電機(jī)關(guān)閉時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

汽車電池可以提供所需的所有電力 - 一段時(shí)間！普通汽車電池的關(guān)鍵規(guī)格是其容量，以安培小時(shí) （Ah） 為單位。對(duì)于緊湊型汽車，典型的電池提供約50Ah。從理論上講，這意味著您可以繪制 1A 50 小時(shí)。電流加倍可將時(shí)間縮短到一半。例如，啟動(dòng)汽車需要幾百安培，但時(shí)間很短。假設(shè)啟動(dòng)期間的平均電流消耗為 300A，在耗盡電池之前，您應(yīng)該有十分鐘的時(shí)間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

另一個(gè)例子是照明。通常，一輛汽車有兩個(gè) 50W 的前燈泡和兩個(gè) 20W 的后燈泡。它們總共消耗約140W。如果您在離開(kāi)汽車時(shí)忘記關(guān)閉它們，它們將從平均 11.5V 系統(tǒng)吸收約 12A 電流。假設(shè)電池已充滿電，您應(yīng)該有四個(gè)小時(shí)的時(shí)間才能自動(dòng)熄滅燈！在實(shí)踐中，燈會(huì)比這更早熄滅，您也沒(méi)有上面提到的十分鐘來(lái)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

典型的汽車電池只有 36Ah 到 100Ah 的容量，具體取決于汽車尺寸和類型。幾種影響會(huì)降低汽車電池的可用容量。例如，較冷的外部溫度會(huì)減緩內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)。在-20°C時(shí)，只有原始容量的一半可用。 舊式汽車電池的可用容量較少，并且反復(fù)短距離行駛的汽車中的電池（如在城鎮(zhèn)中跑腿）的電池比主要用于長(zhǎng)途駕駛的汽車的放電速度要快得多。（通常，汽車必須行駛至少半小時(shí)才能充滿電。對(duì)于一輛僅將電池反復(fù)放電的汽車來(lái)說(shuō)，充電周期數(shù)約為 500%。因此，短途旅行會(huì)更快地耗盡電池并縮短其使用壽命。您應(yīng)該期望每五年更換一次汽車電池。

始終在線功能始終消耗電量

想象一下，一個(gè)寒冷的冬天，溫度一次低于零度數(shù)周。您駕駛主要用于城市駕駛的4歲汽車前往機(jī)場(chǎng)，在那里您可以逃離溫暖而陽(yáng)光明媚的3周假期?；貋?lái)后，汽車可能無(wú)法啟動(dòng)！它的容量已經(jīng)減少，不僅是城市駕駛、停車時(shí)間和寒冷的溫度。其他隱藏的能源竊賊一直在工作?，F(xiàn)代汽車中的常亮功能會(huì)持續(xù)消耗電池電流：防盜保護(hù)、報(bào)警系統(tǒng)、無(wú)鑰匙進(jìn)入接收器和輪胎壓力測(cè)量系統(tǒng)，僅舉幾例。此外，CAN總線上的某些節(jié)點(diǎn)不斷“偵聽(tīng)”總線，因此它們可以在需要支持時(shí)立即喚醒。

根據(jù)制造商和此類節(jié)點(diǎn)的總數(shù)，所有這些單獨(dú)的小靜態(tài)電流的總和可以達(dá)到幾毫安，或者可能高達(dá)來(lái)自電池的100mA連續(xù)電流?，F(xiàn)在，再考慮一下機(jī)場(chǎng)的汽車：寒冷的天氣，城市交通和年齡可能已經(jīng)將可用容量降低到其標(biāo)稱值的一半。因此，當(dāng)汽車停放時(shí)，電池只剩下 25Ah。給定僅25mA的連續(xù)靜態(tài)電流，21天內(nèi)損失的容量為12.6Ah。由于該量在電池停放時(shí)從電池中取出，因此電池容量的剩余部分將減少到原始值的四分之一。由此產(chǎn)生的容量可能不足以啟動(dòng)冷電機(jī)！

注意：高壓

為了應(yīng)對(duì)電池容量降低或耗盡的問(wèn)題，汽車電子系統(tǒng)（即使是那些沒(méi)有始終開(kāi)啟或待機(jī)模式的系統(tǒng)）也需要電源選項(xiàng)，以最大限度地降低其靜態(tài)電流。用CMOS制成的小型線性穩(wěn)壓器似乎是一個(gè)好主意，因?yàn)橐恍┻@樣的器件確實(shí)消耗很少的靜態(tài)電流。例如，MAX1725僅消耗2μA電流。 然而，不幸的是，電源還必須具有較寬的輸入電壓范圍，以處理所謂的拋負(fù)載脈沖，突負(fù)載脈沖是由于交流發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)斷開(kāi)電池連接而引起的短暫但嚴(yán)重的過(guò)壓。

由于交流發(fā)電機(jī)的控制環(huán)路不夠快，無(wú)法閉合，因此當(dāng)電池電壓被移除時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生高輸出電壓脈沖。這種高能脈沖通常在汽車的某個(gè)中心位置被箝位到較低的電壓，但汽車制造商也向其供應(yīng)商指定其電源輸入端的剩余過(guò)電壓。該規(guī)格因汽車制造商而異，但汽車的典型峰值為36V，卡車的典型峰值為58V。有些值甚至更高。典型拋負(fù)載脈沖的持續(xù)時(shí)間為零點(diǎn)幾秒（圖 1）。

圖1.這種典型的拋負(fù)載過(guò)壓脈沖在汽車中達(dá)到36V的最大幅度（Vs），在卡車中達(dá)到58V。它的持續(xù)時(shí)間（td）是幾百毫秒。

功耗和溫度

這些高輸入電壓電平將我們直接引導(dǎo)到下一個(gè)要考慮的點(diǎn)。線性穩(wěn)壓器不僅必須承受規(guī)定的過(guò)壓，而且在低輸出電壓下提供高負(fù)載電流時(shí)還必須耗散相當(dāng)大的功率。在負(fù)載為 13mA 的情況下，將汽車的典型 5V 輸入轉(zhuǎn)換為 50V 可能并不重要，功耗僅為 400mW，并且剛好在標(biāo)準(zhǔn) SO8 封裝的最大額定值范圍內(nèi)。然而，在上述過(guò)壓條件下，36V時(shí)的功耗水平增加到1.5W以上。

所有封裝的功耗能力都會(huì)隨著溫度的升高而降低，因此在較高溫度下，功耗量可能會(huì)成為問(wèn)題。采用常規(guī) SO8 封裝的穩(wěn)壓器 IC 會(huì)很快進(jìn)入熱關(guān)斷狀態(tài)。調(diào)節(jié)器在冷卻后會(huì)存活并恢復(fù)運(yùn)行，但這無(wú)濟(jì)于事，因?yàn)槲覀冃枰３止δ艽婊?。汽車線性穩(wěn)壓器需要能夠?qū)崿F(xiàn)高功率耗散的先進(jìn)封裝。

MAX5084等標(biāo)準(zhǔn)汽車線性穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)工作在汽車級(jí)溫度范圍。它具有 65V 輸入范圍、50μA 典型靜態(tài)電流和 200mA 的保證輸出電流。其帶裸焊盤的 6 引腳 TDFN 封裝在 +1°C 時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn) 9.70W 的連續(xù)功耗，但（與所有封裝一樣）在較高溫度下，這種功耗會(huì)降低（圖 2）。在 +125°C 時(shí)，該封裝在室溫下仍能夠比標(biāo)準(zhǔn) SO8 封裝消耗更多的功率。其他器件特性包括直接在負(fù)載上控制輸出電壓的開(kāi)爾文檢測(cè)選項(xiàng)、用于設(shè)置標(biāo)準(zhǔn) 3.3V 和 5V 以外輸出電壓的 SET 引腳以及使能功能。如果不需要待機(jī)功能，則可以禁用將典型電源電流降至 6μA 的器件。

圖2.這款小巧但功能強(qiáng)大的汽車線性穩(wěn)壓器采用 6 引腳 TDFN 封裝，功耗高達(dá) 1.9W。在允許的最高環(huán)境溫度（+125°C）下，它可以耗散600mW。

盡可能低的靜態(tài)電流，實(shí)現(xiàn)始終接通功能

遙控?zé)o鑰匙進(jìn)入 （RKE） 系統(tǒng)（圖 3）的接收器必須始終處于活動(dòng)狀態(tài)，以便隨時(shí)可以在鑰匙中檢測(cè)到遙控器發(fā)出的命令。您無(wú)法禁用RKE接收器的電源，因此其電路應(yīng)消耗盡可能低的靜態(tài)電流，尤其是在待機(jī)模式下。然后，它必須在喚醒后立即提供正常工作電流。

圖3.典型的RKE系統(tǒng)由車載側(cè)和鑰匙安裝側(cè)組成。由于汽車的電源塊直接連接到電池，因此其靜態(tài)電流必須很低。

因此，我們必須優(yōu)化電源模塊（左上角），以最小化靜態(tài)電流。除了低靜態(tài)電流外，對(duì)內(nèi)部線性穩(wěn)壓器的要求也不是很嚴(yán)格。它必須僅提供輸入、輸出和接地引腳。不需要關(guān)斷和使能功能，因?yàn)榻邮掌魇冀K通電。但是，我們必須仔細(xì)觀察它設(shè)置輸出電壓的方式。許多線性穩(wěn)壓器使用外部電阻分壓器設(shè)置輸出電壓，但對(duì)于此應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可能不是一個(gè)好主意。請(qǐng)考慮以下方案。

MAX1470 RF接收器工作在3.3V電源。為了確保其低靜態(tài)電流，我們不能允許電阻分壓器中存在較大的偏置電流。對(duì)于2μA的最大電流，分壓器電阻必須不小于1.65MΩ。該值可用于片式電阻器，但高值還有其他缺點(diǎn)。它們使分壓器對(duì)可能影響線性穩(wěn)壓器輸出電壓的失真敏感。

使用外部電阻分壓器的另一個(gè)主要反對(duì)意見(jiàn)是，汽車制造商預(yù)計(jì)由油、污垢、灰塵、蒸發(fā)塑料和其他顆粒在PCB上形成的寄生污垢層會(huì)長(zhǎng)期沉積。因此，分壓器的高阻抗往往會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，因?yàn)榧纳鷮訒?huì)形成并聯(lián)電阻。這種污染的直接后果是輸出電壓緩慢但連續(xù)的變化，以及穩(wěn)定增加的靜態(tài)電流。因此，首選包含內(nèi)分壓器的固定輸出線性穩(wěn)壓器。

考慮到這些因素，MAX15006線性穩(wěn)壓器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇（圖4）。其小型 6 引腳 TDFN 封裝能夠耗散 1.5W，并具有 3.3V 或 5V 的固定輸出電壓（可根據(jù)要求提供其他電壓）。MAX15006的輸入電壓范圍（至40V，最大值）允許直接連接到汽車電池，但主要優(yōu)點(diǎn)是超低的空載靜態(tài)電流（典型值為9.5μA）。對(duì)于一個(gè) 1mA 負(fù)載，汽車溫度范圍內(nèi)的最大靜態(tài)電流僅為 19μA，在最大負(fù)載電流為 110mA 時(shí)增加到 50μA。這種性能是可以接受的，因?yàn)樵谖覀兊睦又?，MAX1470接收器的最大電源電流遠(yuǎn)低于10mA。

圖4.這款汽車線性穩(wěn)壓器需要最少的引腳和外部元件、最小的電路板空間以及 9.5μA 的最?。ǖ湫椭担┛蛰d電源電流。

功耗問(wèn)題

為了節(jié)省電路板空間和成本，設(shè)計(jì)人員有時(shí)避免使用開(kāi)關(guān)模式電源，即使應(yīng)用將線性穩(wěn)壓器推到其功耗能力的邊緣也是如此。例如，考慮一個(gè)需要5V電源電壓的汽車電氣控制單元（ECU）。ECU通常包括一個(gè)微控制器、一個(gè)傳感器和一個(gè)CAN驅(qū)動(dòng)器或其他總線接口設(shè)備，并連接少量模擬電路。在完全工作時(shí)，它可能吸收 150mA 的電源電流。

因此，標(biāo)稱輸入電壓為13V的線性穩(wěn)壓器可以耗散1.2W，在拋負(fù)載期間，該電平可以短暫上升到4W。為了處理卡車中的標(biāo)稱26V電壓，穩(wěn)壓器必須連續(xù)耗散超過(guò)3W。針對(duì)這些應(yīng)用，另一款汽車線性穩(wěn)壓器（MAX5087）設(shè)計(jì)用于高達(dá)400mA的輸出電流。它還采用更大的 8mm x 8mm 56 引腳 QFN 封裝，可將允許功耗提升至 3.8W（圖 5）。

圖5.MAX5087線性穩(wěn)壓器的一個(gè)封裝選項(xiàng)是56引腳QFN，其最大允許功耗增加到3.8W。

對(duì)于需要“內(nèi)務(wù)管理”功能的應(yīng)用，最佳選擇是MAX6791線性穩(wěn)壓器（圖6）。其 20 引腳 QFN 封裝可耗散 2.7W，其中一個(gè)雙通道線性穩(wěn)壓器可產(chǎn)生第二個(gè)電源電壓：例如，微處理器為 3.3V，CAN收發(fā)器為 5V。其他特性包括具有可編程觸發(fā)窗口的看門狗、上電復(fù)位、用于監(jiān)視額外電源電壓的電源故障比較器，以及用于外部功率 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)器邏輯（旨在取代體積龐大且功耗高昂的反向電流保護(hù)二極管）。

圖6.這款汽車線性穩(wěn)壓器包含兩個(gè)線性穩(wěn)壓器和一組“內(nèi)務(wù)管理”功能。它在2°C時(shí)可耗散7.70W。

審核編輯：郭婷